Traducido por el equipo de SOTT.net

Unos investigadores han descubierto una forma de "traducir" información cuántica entre distintos tipos de tecnologías cuánticas, con importantes implicaciones para la informática cuántica, la comunicación y las redes.
niobium superconducting cavity
© Aishwarya KumarUna cavidad superconductora de niobio. Los agujeros conducen a túneles que se entrecruzan para atrapar luz y átomos.
La investigación se publicó el miércoles en la revista Nature. Representa una nueva forma de convertir la información cuántica del formato utilizado por los ordenadores cuánticos al formato necesario para la comunicación cuántica.

Los fotones -partículas de luz- son esenciales para las tecnologías de la información cuántica, pero las distintas tecnologías los utilizan a frecuencias diferentes. Por ejemplo, algunas de las tecnologías de computación cuántica más comunes se basan en qubits superconductores, como los que utilizan los gigantes tecnológicos Google e IBM; estos qubits almacenan la información cuántica en fotones que se mueven a frecuencias de microondas.

Pero si se quiere construir una red cuántica o conectar ordenadores cuánticos, no se pueden enviar fotones de microondas porque el asidero de su información cuántica es demasiado débil para sobrevivir al viaje.

"Muchas de las tecnologías que utilizamos para la comunicación clásica -teléfonos móviles, Wi-Fi, GPS y similares- utilizan frecuencias de luz de microondas", señaló Aishwarya Kumar, postdoctorando en el Instituto James Franck de la Universidad de Chicago y autor principal del artículo. "Pero no se puede hacer lo mismo con la comunicación cuántica porque la información cuántica que se necesita está en un solo fotón. Y con frecuencias de microondas, esa información quedaría sepultada por el ruido térmico".

La solución es transferir la información cuántica a un fotón de mayor frecuencia, llamado fotón óptico, que es mucho más resistente al ruido ambiental. Pero la información no puede transferirse directamente de fotón a fotón; en su lugar, necesitamos materia intermediaria. Algunos experimentos diseñan dispositivos de estado sólido para este fin, pero el experimento de Kumar apuntaba a algo más fundamental: los átomos.

Los electrones de los átomos sólo pueden tener ciertas cantidades específicas de energía, denominadas niveles de energía. Si un electrón se encuentra en un nivel de energía inferior, puede ser excitado a un nivel de energía superior golpeándolo con un fotón cuya energía coincida exactamente con la diferencia entre el nivel superior y el inferior. Del mismo modo, cuando un electrón es forzado a descender a un nivel energético inferior, el átomo emite entonces un fotón con una energía que coincide con la diferencia de energía entre los niveles.

electron energy levels of Rubidium
© Aishwarya KumarDiagrama de los niveles de energía de los electrones del rubidio. Dos de los intervalos entre niveles de energía coinciden con las frecuencias de los fotones ópticos y los fotones de microondas, respectivamente. Se utilizan láseres para forzar al electrón a saltar a niveles superiores o a descender a niveles inferiores.
Los átomos de rubidio tienen dos espacios en sus niveles que la tecnología de Kumar aprovecha: uno que equivale exactamente a la energía de un fotón de microondas y otro que equivale exactamente a la energía de un fotón óptico. Utilizando láseres para desplazar la energía de los electrones del átomo hacia arriba y hacia abajo, la tecnología permite que el átomo absorba un fotón de microondas con información cuántica y emita un fotón óptico con esa información cuántica. Esta traducción entre distintos modos de información cuántica se llama "transducción".

El uso efectivo de átomos para este fin es posible gracias a los importantes avances que los científicos han logrado en la manipulación de objetos tan pequeños. "Nosotros, como comunidad, hemos construido una tecnología notable en los últimos 20 ó 30 años que nos permite controlar esencialmente todo sobre los átomos", dijo Kumar. "Así que el experimento está muy controlado y es muy eficaz".

Según Kumar, el otro secreto de su éxito radica en los avances logrados en el campo de la electrodinámica cuántica de cavidades, en la que un fotón queda atrapado en una cámara superconductora reflectante. Al obligar al fotón a rebotar en un espacio cerrado, la cavidad superconductora refuerza la interacción entre el fotón y cualquier materia que se coloque en su interior.

La cámara no parece muy cerrada; de hecho, se parece más a un bloque de queso suizo. Pero lo que parecen agujeros son en realidad túneles que se intersectan siguiendo una geometría muy específica, de modo que los fotones o los átomos pueden ser atrapados en una intersección. Se trata de un diseño inteligente que también permite a los investigadores acceder a la cámara para poder inyectar los átomos y los fotones.

La tecnología funciona en ambos sentidos: puede transferir información cuántica de fotones de microondas a fotones ópticos, y viceversa. Por lo tanto, puede estar a ambos lados de una conexión a larga distancia entre dos ordenadores cuánticos qubit superconductores y servir como elemento constitutivo fundamental de una Internet cuántica.

Pero Kumar cree que esta tecnología puede tener muchas más aplicaciones que las de las redes cuánticas. Su principal capacidad es la de entrelazar firmemente átomos y fotones, una tarea esencial y difícil en muchas tecnologías cuánticas diversas.

"Una de las cosas que más nos entusiasma es la capacidad de esta plataforma para generar un entrelazamiento realmente eficaz", explica. "El entrelazamiento es fundamental para casi todo lo que nos interesa de la cuántica, desde la computación a las simulaciones, pasando por la metrología y los relojes atómicos. Me entusiasma ver qué más podemos hacer."
Más información: Aishwarya Kumar et al, Quantum-enabled millimetre wave to optical transduction using neutral atoms, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05740-2

Información de la revista: Nature